[pt] Neste trabalho são avaliados os parâmetros de transporte da bactéria Escherichia coli ATCC11229, microrganismo indicador de contaminação fecal, através de colunas de areia de quartzo saturadas. Com este propósito foi desenvolvido o equipamento para a execução dos ensaios Advecção-Dispersão-Sorção (ADS), com injeção contínua de uma suspensão bacteriana em água destilada em uma concentração inicial de 10 (8) bactérias/mL, por até doze horas em temperatura ambiente e sob condições que permitiram desprezar os efeitos do crescimento e decaimento dos microrganismos. Para a determinação dos parâmetros de transporte foram executados ensaios microbiológicos, ensaios de batelada e oito ensaios ADS para diferentes valores de gradiente hidráulico. Os ensaios de batelada mostraram uma baixa adsorção bactéria-solo nas condições avaliadas. As curvas de chegada obtidas nos ensaios ADS, mostraram elevados valores para o fator de retardamento entre três e nove, variando proporcionalmente com o incremento de gradiente hidráulico. Os valores de dispersão hidrodinâmica variaram entre 1,44x10(-2) cm(2)/min e 5,47x10(-2) cm(2)/min. Os resultados dos ensaios sugerem que os processos físico-químicos têm pouca influência no transporte deste microrganismo em areia de quartzo, enquanto que o processo de filtração mecânica, forças hidrodinâmicas, a forma e distribuição de tamanho dos grãos parecem explicar mais adequadamente o comportamento das curvas de chegada. / [en] This study deals with the assessment of the transport parameters of the Escherichia coli ATCC11229 bacteria, a fecal contamination indicator, through saturated quartz sand columns. With this purpose, it was developed an equipment to carrying out Advection-Dispersion-Sorption (ADS) experiments, with continuous input of bacterial distilled water suspension at an influent concentration of 10(8) cell/mL for about twelve hours, at environmental temperature and under conditions that allow disregard the effect of the growth and decay of the microorganisms. Microbiological experiments, batch tests, and eight ADS experiments at several hydraulic gradient values, were executed for determine the transport parameters. The batch tests indicated a low bacterium-soil adsorption under evaluated conditions. The breakthrough curves, obtained by ADS experiments, showed high values for the retardation factor, ranged from three to nine with increasing the hydraulic gradient. The hydrodynamic dispersion values ranged between 1,44x10(-2)cm(2)/min and 5,47x10(-2) cm(2)/min. The results of the experiments suggested that the physical-chemical processes have a little influence on the transport of this microorganism in quartz sand, whereas the straining process, hydrodynamic forces, the shape and grain distribution, would can explain more appropriately the behavior of the breakthrough curves.

[pt] A filtração profunda de suspensões particuladas ocorre em muitos processos industriais e ambientais, como filtração de água e contaminação do solo. Na indústria petrolífera, a filtração profunda ocorre próximo ao poço injetor durante a injeção de água, causando redução de injetividade. A captura de partículas no meio poroso pode ser causada por diferentes mecanismos físicos (exclusão pelo tamanho, forças elétricas, gravidade (sedimentação), etc.). No caso do mecanismo de exclusão pelo tamanho, quanto maiores forem as partículas e menores forem os poros, mais intensa será a captura. Conseqüentemente, maior será o dano à formação. Entretanto, o modelo tradicional não considera as distribuições de tamanho de partículas e de poros. Assumindo que as partículas são capturadas pelo mecanismo de exclusão pelo tamanho, foram deduzidas as equações básicas para o transporte de suspensões particuladas no meio poroso considerando as distribuições de tamanho de poros e de partículas. Apenas o fluxo de água via poros acessíveis transporta partículas, ou seja, as partículas não podem acessar poros menores do que elas. No presente trabalho, os efeitos da redução do fluxo de partículas e da inacessibilidade devido ao fluxo seletivo de diferentes tamanhos de partículas são incluídos no modelo estocástico para a filtração profunda. As soluções analíticas obtidas mostram um comportamento físico mais realístico do que o previsto pelo modelo tradicional. O modelo de medição (concentrações totais) obtido difere substancialmente do modelo tradicional para a filtração profunda. Vários dados experimentais foram tratados, mostrando boa concordância e validando o modelo proposto. Um sistema de equações estocásticas para modelar a formação do reboco externo foi proposto e soluções analíticas foram obtidas, permitindo tratar a filtração profunda e a formação do reboco externo, utilizando o mesmo formalismo matemático. / [en] Deep bed filtration of water with particles occurs in several industrial and environmental processes like water filtration and soil contamination. In petroleum industry, deep bed filtration occurs near to injection wells during water injection, causing injectivity reduction. It also takes place during well drilling, sand production control, produced water disposal in aquifers, etc. The particle capture in porous media can be caused by different physical mechanisms (size exclusion, electrical forces, bridging, gravity (sedimentation), etc.). In case of size exclusion mechanism, the larger are the particles and the smaller are the pores, the more intensive is the capture and the larger is the formation damage. Nevertheless, the widely used traditional model does not account for particle and pore size distributions. Considering that particles are captured due to size exclusion mechanism, we derived basic equations for transport of particulate suspensions in porous media, accounting for particle and pore radii distributions. Particles are carried by water flowing through the accessible pore space only, i.e. particles cannot access smaller pores. In the current work, the effects of porous space accessibility and particle flux reduction due to selective flow of different size particles are included into the stochastic deep bed filtration model. The particle and pore ensembles for analytical solutions of the derived system show more realistic physics behaviour than that of the traditional model. Averaging of the derived stochastic equations leads to a new deep bed filtration model that significantly differs from the classical deep bed filtration system. Treatment of several experimental data shows good agreement between the laboratory and modelling data and validates the proposed model. The derived stochastic model has been extended to model formation of external filter cake by particles from the injected polydispersed suspension, allowing treating both deep bed filtration and external filter cake formation in the framework of the same system of governing equations.

[pt] Esta dissertação apresenta um estudo numérico, utilizando o método dos elementos finitos, para simular o entupimento de rochas provocado pela injeção de água contendo partículas sólidas. Dentre os diferentes parâmetros que afetam o declínio de injetividade, quatro foram analisados, considerando-se a situação de fluxo unidimensional: fator de dano, concentração de partículas sólidas presentes no fluido de injeção, coeficiente de filtragem e taxa de injeção. Um estudo paramétrico ressaltando a influência destes fatores na perda de injetividade é também apresentado neste trabalho, concluindo-se que os resultados numéricos obtidos concordam satisfatoriamente com as observações experimentais disponíveis e soluções analíticas publicadas na literatura. O trabalho estuda também numericamente a simulação do entupimento dos poros da rocha considerando dois modelos de redução de permeabilidade e recupera valores do coeficiente de filtragem (Lambda ) e do fator de dano ( Beta ) através de análises inversa pelo método dos elementos finitos. / [en] This dissertation presents a numerical study, based on the finite element method, to simulate rock pore plugging caused by the injection of water containing solid particles in suspension. Amongst the parameters that affect rock injectivity decline, the following four were analyzed, considering undimensional flow: damage coefficient, solid particle concentration present in the injection fluid, filtration coefficient and injection rate. A parametric study standing out the influence of the these factors in the loss of injectivity is also presented in this work, concluding that the numerical results agree satisfactorily with the available experimental data and analytical solutions published in the literature. This work also numerically investigates the process of rock pore plugging considering two different permeability reduction models and recovers values of the filtration coefficient (Lambda ) and the damage factor ( Beta ) through inverse analyses carried outn by the finite element method.